1. 什么是内存对齐？

内存对齐（Memory Alignment）是指计算机系统在存储数据时，将数据存储在内存地址为特定值（通常是某个数的倍数）的位置上的一种机制。

在现代计算机体系结构中，不同的数据类型有其默认的对齐要求。例如，在许多常见的系统中：

• 通常情况下，char类型（一般占 1 个字节）可以从任意内存地址开始存储，因为它的长度本身就很小，不存在对齐方面的特殊限制。
• short类型（一般占 2 个字节）通常要求存储在能被 2 整除的内存地址上，也就是内存地址是 2 的倍数。
• int类型（一般占 4 个字节）往往要求存储在能被 4 整除的内存地址上，即内存地址是 4 的倍数。
• double类型（一般占 8 个字节）可能要求存储在能被 8 整除的内存地址上，使得其内存地址是 8 的倍数。

当编译器在为程序中的变量分配内存时，会遵循这些内存对齐规则，以确保每个数据都被放置在符合其类型对齐要求的内存位置上。比如有一个结构体如下：

struct Example {
    char a;
    int b;
    short c;
};

在内存中存储这个结构体时，可能不会按照结构体定义的顺序简单地依次连续存储各个成员。由于int类型要求内存地址是 4 的倍数，编译器可能会在char a之后插入一些额外的字节（称为填充字节，padding bytes），使得int b能够存储在符合其对齐要求的地址上。

2. 为什么需要内存对齐？

内存对齐主要有以下几个方面的原因：

提高访问效率：

现代计算机的内存子系统是以字（word）为单位进行数据读取和写入操作的，字的大小通常与处理器的数据总线宽度相关。例如，对于一个 32 位的处理器，字长一般是 4 个字节，内存子系统一次会读取或写入 4 个字节的数据。

当数据是按照内存对齐要求存储时，处理器在访问数据时能够以更高的效率进行。以int类型数据为例，如果它是按照内存对齐要求（地址是 4 的倍数）存储的，那么处理器一次内存访问操作就可以完整地获取到这个int数据。但如果int数据没有对齐，比如存储在一个不能被 4 整除的地址上，那么处理器可能需要进行两次内存访问操作，然后再将两次获取到的部分数据组合起来才能得到完整的int数据，这显然会降低访问效率。

硬件设计限制：

有些硬件电路在设计时就假定数据是按照一定的对齐方式存储的。例如，某些内存控制器在处理未对齐的数据时可能无法正常工作，或者需要额外的复杂逻辑来处理这种情况，这会增加硬件设计的成本和复杂性。

通过要求内存对齐，可以确保数据存储方式符合硬件设计的预期，从而避免出现硬件兼容性问题，保证系统的稳定运行。

便于编译器优化：

编译器在生成代码时，如果知道数据是按照内存对齐要求存储的，它可以进行一些优化操作。比如，在生成访问结构体成员的代码时，编译器可以根据已知的对齐情况更准确地生成高效的指令序列，以提高程序的整体性能。

综上所述，内存对齐虽然可能会导致在某些情况下需要使用一些填充字节来调整数据的存储位置，从而在一定程度上浪费了一些内存空间，但从整体性能和系统兼容性等方面考虑，它是现代计算机系统中非常重要的一种机制。